（电磁场与微波技术专业论文）新一代移动通信系统中基站天线研究.pdf

摘要 摘要 随着移动通信的高速发展，移动用户对系统的容量和通信质量提出了更高的 要求。与此相对应，移动通信系统中的关键部分基站天线在设计时也需要综 合考虑更多的因素。在新一代的移动通信中，m i m o 技术的应用使得系统的容量 随发射和接收端的最小天线数目的增加而线性增加。m i m o 技术在接收和发射端 都引入了多天线，因此多天线的设计在新一代移动通信中显得尤为重要。 对于基站端的天线来说，其体积、重量、成本等不像移动端天线那样受到诸 多限制，因此在设计基站天线时应考虑充分利用基站天线的空间使天线满足各方 面的性能要求。在设计新一代移动通信基站天线时，应使天线能综合各种分集方 式进行天线分集以消除多径效应，具有波束下倾以减少同频干扰，能波束赋形以 实现优化覆盖。 本文在介绍m i m o 技术和分析新一代移动通信中基站天线的设计思路的基础 上，给出了一种适用于m i m o 系统基站、具有角度分集功能的开关八木天线阵列。 该开关八木天线以八木天线为原型，通过八木天线反射器中部的微波开关控制反 射器的通断来改变开关八木天线的方向图。其特点集中体现在三个方面：在天线 径向通过八术天线的形式获得增益；充分利用基站空间在z 向组成阵列获取阵列 增益；利用开关八木天线方向图可重构的特性，通过合理的布局，在方位面内实 现角度分集。将该天线作为基站天线用于m i m o 实验系统平台上进行了一系列的 实验，对一些典型的实验现象和实验数据进行了分析讨论。从测试和实验结果可 以看出，该天线具有较好的性能。 接着，本文利用遗传算法来综合天线阵列的余割平方方向图，对基站天线方 向图赋形来达到优化覆盖。考察了改变阵列单元馈电幅度和相位以及改变阵列单 元位置和馈电相位两种情况下的阵因子综合。然后将遗传算法与f e k o 软件结合 起来综合整个阵列的方向图。与传统的乌特沃特劳森抽样法相比，用遗传算 法综合出的阵列方向图更接近理想的余割平方方向图，并且用遗传算法能综合阵 列单元位置改变的情况。将遗传算法与f e k o 软件结合起来，能够将天线单元方 向图、天线单元问互耦、阵因子等因素都计算在内来综合整个阵列的方向图。 关键词：m i m o ，基站天线，开关八木天线，遗传算法，方向图综合 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m o b i l es u b s c r i b e r sh a v e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e mc a p a c i t ya n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h e r e w i t h ， t h ed e s i g no ft h eb a s es t a t i o na n t e n n a ，w h i c hi sav i t a lc o m p o n e n to faw i r e l e s ss y s t e m ， s h o u l dt a k ej n t oa c c o u n t m a n y f a c t o r s i nt h en e x t g e n e r a t i o n o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fm i m ot e c h n o l o g i e si n c r e a s e st h es y s t e mc a p a c i t y l i n e a r l yw i t ht h em i n i m u mn u m b e ro ft r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s a st h em 1 m 0 s y s t e mi m p l i e sm u l t i p l ea n t e n n a si n b o t ht r a n s m i ta n dr e c e i v es i d e s ，t h ed e s i g no f m u l t i p l e a n t e n n a sb e c o m e s v e r yi m p o r t a n t i nt h en e x t g e n e r a t i o n o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a sf o rt h eb a s es t a t i o na n t e n n a ，t h er e q u i r e m e n to fi t sv o l u m e ，w e i g h ta n dc o s ti s n o ta ss t r i c ta st h a to ft h em o b i l et e r m i n a la n t e n n a ，t h e r e f o r e ，p l e n a r yu s eo fu t h es p a c e o ft h eb a s es t a t i o nt om a k et h ea n t e n n as a t i s f yv a r i o u sd e m a n d ss h o u l db ec o n s i d e r e d w h e n d e s i g n i n g t h eb a s es t a t i o na n t e n n a i nt h en e x t g e n e r a t i o n o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，t h eb a s es t a t i o na n t e n n as h o u l dh a v et h e s ef u n c t i o n s ：i n t e g r a t i o no f d i f f e r e n td i v e r s i t ym e t h o d st or e l e a s em u l t i - p a t hf a d i n g ，b e a m d o w n t i l tt or e d u c e c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，b e a m - f o r m i n gt oo p t i m i z ec o v e r a g e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s w i t c h e dp a r a s i t i cp a t t e r nd i v e r s i t yy a g i u d aa n t e n n aa r r a yu s e d f o rt h eb a s es t a t i o nh a sb e e ni l l u s t r a t e da f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fm i m ot e c h n o l o g i e sa n d t h ea n a l y s i so ft h eb a s es t a t i o na n t e n n ad e s i g nf o rn e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h i ss w i t c h e dp a r a s i t i cy a g i - u d aa n t e n n au s e say a g i u d aa n t e n n aa si t s p r o t o t y p e a n dc a nc h a n g er a d i a t i o np a t t e r nb yt h ec o n t r o lo fr f s w i t c hw h i c hi sp l a c e d a tt h ec e n t e ro fi t sr e f l e c t o r t h ec h a r a c t e r so ft h i sa n t e n n al i ei nt h r e ep o i n t s ：u s i n g y a g i u d aa n t e n n at oo b t a i na n t e n n ag a i nt h r o u 曲t h er a d i a ld i r e c t i o n ；m a k i n gf u l lu s eo f t h es p a c eo ft h eb a s es t a t i o na l o n gt h ez a x i sd i r e c t i o nt og e ta r r a yg a i n ；a r r a n g i n gt h e a n t e n n aa r r a yp r o p e r l yt oa c h i e v ep a t t e r nd i v e r s i t yi na z i m u t hp l a n e t h i sp a t t e r n d i v e r s i t ya n t e n n ah a sb e e nu s e da st h eb a s es t a t i o na n t e n n ai nt h em i m oe x p e r i m e n t a l s y s t e ma n ds e v e r a lr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d f r o mt h em e a s u r e da n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w ec a ns e et h a tt h i sa n t e n n ah a sg o o dp e r f o r m a n c e a b s t r a c t t h e n ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eu s eg e n e t i ca l g o r i t h m st os y n t h e s i z ea r r a yp a t t e r n s a n do p t i m i z ea n t e n n ac o v e r a g e t w oc a s e sh a v eb e e ns t u d i e d ：o n ei st oc h a n g et h e f e e d i n ga m p l i t u d ea n dp h a s eo fe a c he l e m e n t ；t h eo t h e ri st oc h a n g et h ef e e d i n gp h a s e o fe a c he l e m e n ta n dt h ed i s t a n c e sb e t w e e nt h e m a n dt h e nw ec o m b i n et h eg e n e t i c a l g o r i t h m s w i t hf e k ot o s y n t h e s i z e a n t e n n a p a t t e r n s c o m p a r i n g t ot h e w o o d w a r d l a w s o nm e t h o d ，t h er e s u l t sa c h i e v e db yg e n e t i ca l g o r i t h m sa l es i m i l a rt o t h ei d e a ls q u a r e c o s e c a n tp a t t e r n sa n dg e n e t i ca l g o r i t h m sc a nb eu s e dt os y n t h e s i z e a r r a y sw i t hu n e q u a ld i s t a n c e sb e t w e e ne l e m e n t s c o m b i n i n gg a w i t hf e k oc a nt a k e i n t oa c c o u n tb o t ht h er a d i a t i o np a t t e r no fa r r a ye l e m e n t sa n dt h em u t u a lc o u p l i n ga m o n g t h e mw h e ns y n t h e s i z i n ga n t e n n aa a yp a t t e r n s k e y w o r d s ：m i m o ，b a s es t a t i o na n t e n n a ，s w i t c h e dp a r a s i t i cy a g i - u d aa n t e n n a ， g e n e t i ca l g o r i t h m s ，r a d i a t i o np a t t e r ns y n t h e s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。： 签名：鱼丝日期：彩年年月西日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：筵煎 第一章序论 第一章序论 移动通信是指通信的双方，或者至少有一方在运动状态中进行信息传递的通 信方式，它使人们能够随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，其 优越性是固定电话无法比拟的。从2 0 世纪2 0 年代美国底特律市警察使用的车载 无线电系统问世以来，移动通信系统经历了第一代的模拟频分系统( 如a m p s 、 t a c s ) ，目前广泛应用的第二代数字蜂窝系统( 如g s m 、c d m a ) ，即将投入 商用的第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 ，和正在开展广泛研究的第四代移动通信系 统。移动通信系统的容量在不断提高，业务种类也越来越丰富。 本章首先简要回顾了移动通信的发展简史，并介绍了移动通信中电波传播的 主要特点；接着简单分析了新一代移动通信中的关键技术m i m o 技术的原理 和国内外的研究现状，以及智能天线向m i m o 演进的必然趋势；最后概括给出了 本文的主要工作和论文结构安排。 1 1 现代移动通信的发展 移动通信从诞生至今，大致经历了5 个发展阶段川。 第一阶段：从2 0 世纪2 0 年代到4 0 年代，为早期发展阶段。 在此期间，首先在短波的几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美 国底特律市警察使用的车载无线电系统。这个阶段是现代移动通信的起步阶段， 其特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段：从2 0 世纪4 0 年代中期至6 0 年代初期。 在此期间，公用移动通信业务开始问世。1 9 4 6 年，美国贝尔公司在美国圣路 易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。随后，前西德 ( 1 9 5 0 年) 、法国( 1 9 5 6 年) 、英国( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系 统。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的 容量较小。 第三阶段：从2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代中期。 在此期间，美国推出了改进型移动电话系统( i m t s ) ，前西德也推出了具有 相同技术水平的b 网。这一阶段是移动通信系统的改进和完善阶段，其特点是采 电子科技大学硕士学位论文 用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段：从2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期。 这是移动通信蓬勃发展的时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移 动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝移动通信网，大大提高了系统容量。1 9 8 3 年， 该系统首次在美国芝加哥市投入商用。其他工业化国家也相继建成蜂窝式公用移 动通信网。日本于1 9 7 9 年开通8 0 0 m h z 汽车电话系统( h a m t s ) 。前西德于1 9 8 4 年建成c 网。英国在1 9 8 5 年建成全地址通信系统( t a c s ) 。加拿大建成4 5 0 m h z 移动电话系统( m t s ) 。瑞典等北欧四国于1 9 8 0 年建成n m t - - 4 5 0 移动通信网， 并投入使用，频段为4 5 0 m h z 。 第五阶段：从2 0 世纪8 0 年代中期至今。 这是数字移动通信系统的发展和成熟时期。 以a m p s 和t a c s 为代表的第一代移动通信网是模拟系统。其主要特征是使 用频分多址( f d m a ) 接入技术，传输调频电话信号，缺点是体制混杂，系统不能 实现国际漫游，不能提供i s d n 业务，保密性差、设备价格高、系统容量小。 为克服第一代移动通信系统的局限性，北美、欧洲和日本自2 0 世纪8 0 年代 中期起相继为第二代移动通信系统制定了3 种不同的数字蜂窝移动通信的标准， 即北美的i s 一5 4 、欧洲的g s m 和日本p d c 。1 9 8 9 年，美国q u a l c o m m 公司将c d m a 技术引入到蜂窝移动通信中。这些系统于2 0 世纪9 0 年代相继在世界各地问世并 投入商用，它标志着移动通信跨入了第二代。 随着社会经济的发展以及信息个人化、业务多样化、综合化，移动通信的第 三代系统( 3 g ) 进入了研制阶段。第三代移动通信系统( 3 g ) 最早在1 9 8 5 年由 国际电信联盟( i t u t ) 提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ， 1 9 9 6 年更名为i m t 一2 0 0 0 ( 国际移动通信一2 0 0 0 ) ，其首选技术为宽带c d m a ( w c d m a ) ，而w c d m a 的各选方案有欧洲及日本提出的w c d m a ，美国提 出的c d m a 2 0 0 0 ，以及我国提出的t d s c d m a 。与2 g 系统，如g s m 相比，3 g 系 统提供了更高质量的服务及更高的数据速率。 而在新一代移动通信系统( 即所谓的b e y o n d3 g 或4 g ) 中，人们对传输速率 和系统容量提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速 率。 o f d m ( o r t h o g o n a l d i v i s i o n f r e q u e n c y m u l t i p l e x i n g ) 和m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) 作为4 g 的关键技术受到了研究者们的广泛关注。 o f d m ( 正交频分复用) 是多载波调制的一种。其主要思想是，将信道分成许多正 第一章序论 交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样就减少了子信道之间的互 相干扰，同时又提高了频谱利用率。 m i m o ( 多入多出) 技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量 和频谱利用率。普遍认为，多入多出将是新一代移动通信系统必须采用的关键技 术。 1 2 移动通信中的电波传播和无线信道特征 移动通信中的电波传播不同于自由空间中的电波传播。移动环境中电波传播 主要有以下特点： 一、三种传播机制 无线移动通信系统中，基站位置固定而移动端处于运动之中，其间的电磁波 传播可归结为三种基本传播机制：反射、 的物体时会发生反射，也伴随部分透射， 绕射与散射。电磁波遇到与波长可比拟 其反射系数和透射系数由媒质的材料特 性、入射波的极化、频率与入射角等参数确定：电磁波传输路径被含有棱边的物 体阻挡时会发生绕射，其阻挡体表面产生的二次波会散布于整个空间，与反射现 象类似，绕射传播依赖于物体的形状以及绕射点入射波的幅度、相位和极化特性； 电磁波穿行包含大量小于波长的物体的媒质时会发生散射，散射波产生于粗糙表 面、小物体或其他不规则物体，比如植被枝叶、街道指示牌、灯柱、建筑物楼梯 等。通常把这三种传播机制统称为散射传播，它使得发射信号经多条路径到达接 收端并自然叠加在一起，即多径传播。 二、三种不同类型的损耗 路径传播损耗：又称为衰耗，指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了在 宏观大范围( 即公里量级) 的空间距离上传播的接收信号电平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗：是由于在电波传播路径上建筑物及山丘等的阻挡的阴影效应而 产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损 耗，一般遵从对数正态分布，其变化率较慢故又称为慢衰落。 快衰落损耗：主要是由于多径传播而产生的衰落。它反映了微观小范围内数 十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从瑞利分布或莱斯分布， 其变化率比慢衰落快，故称为快衰落。快衰落又可细分为空间选择性衰落、频率 选择性衰落和时间选择性衰落。 三、三种效应 电子科技大学硕士学位论文 阴影效应：由大型建筑物和其他物体的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区 的现象。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是随机 地变化。若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱会有不同，离基 站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重了这种情况，出 现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。 多普勒效应：由于接收的移动用户高速运动引起传播频率的扩散而产生的， 其扩散程度与用户运动的速度成正比。 移动通信中电波传播的特征决定了移动通信信道的主要特点为： 一、信道具有开放性，易受各种干扰的影响。 二、由于传播媒质的变动，无线传播信道具有很大的随机性与时变性。 1 3 第三代移动通信中的智能天线技术 智能天线基于阵列天线和实时自适应信号处理算法，在接收端利用天线阵列 通过先进的信号处理算法分别对各天线单元加权处理，能够从多个路径信号和干 扰信号中把有用信号区分出来，自动产生多个窄波束方向图，把主瓣指向不同的 移动台用户，并自动地抑制干扰方向的副瓣电平，从而提高信干噪l e ( s i n r l ，提 升系统性能与信道容量。当然，也可以将智能天线用于发射端。智能天线技术可 以充分利用无线资源的空间可分离性，提高无线通信系统对无线资源的利用率， 从根本上提高系统容量。 智能天线具有如下优点： 智能天线波束成形的结果等效于天线增益的增大，从而提高了接收的灵敏度。 智能天线波束成形之后，只有来自主瓣和较大副瓣方向的信号才会对有用信 号形成干扰，因此大大降低了多用户之间的干扰，同时，小区间的干扰也大大减 小。 智能天线获取的来波信息可用于实现用户定位。 智能天线使用多个小功率放大器代替大功率发射机，基站成本降低。同时， 多发射机方案可增加系统的冗余，提高设备的可靠性。 智能天线根据来波定位信息，可以一次性完成用户的切换，避免了频繁的软 切换以及大量无线资源的占用，提高了通信质量、系统容量和效率。 智能天线技术能比较充分地利用信号的空域信息。但是，智能天线技术是将 4 第一章序论 无线信道的多径传播视为消极因素加以抑制而不是利用，因此在多径比较丰富的 环境中，智能天线技术抗衰落的能力就相当有限了。 结合天线发射分集与接收分集技术，充分利用而不是抑制多径传播，进一步 开发空域资源，提高无线传输性能，成为了无线通信发展的必然趋势，即从智能 天线向多天线系统( m i m o 系统) 进行演进。 1 4 m i m o 技术简丰斤 2 3 】 多径要引起衰落，因而被视为有害因素。而对于m i m o 系统来说，多径可以 作为一个有利因素加以利用。m i m o 技术是空间维度充分结合时间维度的结果， 即采用空时编码的数据流利用矩阵信道来传输数据，是一种空时联合处理技术。 m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道。m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。基于发射分集和接收分集的多进单出 ( m i s o ) 和单进多出( s i m o ) 方式也是m i m o 的一部分。 研究表明f 4 】 ”，在信道为独立的瑞利衰落的情况下，信道容量会随着( m ，) 的 最小值而线性增加，其中和m 分别为发射天线数和接收天线数。假设发射端不 知道信道信息，并且发射功率平均分配到每个发射天线上，则该m i m o 系统的容 量为： c 乩9 2 d e 蛔。+ 昙删) w 洲z 当天线数目较多时，系统容量可近似表达为： c = m i n ( m ，) l o g ，( 1 + p ) b i f f s i - i z 其中，c 为仙农容量，p 是接收天线的信噪比，h 为m x n 的信道矩阵，上 标h 表示复共轭转置，m i n ( m ，n ) 为m 和的较小者。 m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用就 是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频 带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量 的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗 额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种非常有效的手段。空间分集 可以分为接收分集和发射分集。不严格地讲，接收分集用以区分不同的数据流， 电子科技大学硕士学位论文 而发射分集用以提高性能。复用保证了系统的传输速率，分集保证了系统的低误 码率。然而，纯粹的分集与纯粹的复用并非最优方案，因为m i m o 系统本身的自 由度在给定天线配置下是有限的，二者之一都只解决了问题的一个方面，若要获 取更高的分集增益必须以牺牲更大的复用增益为代价，反之亦然。二者的折衷可 以同时获得分集与复用增益，即同时保证系统的传输误码率与速率。 1 1 5 m i m o 技术研究现状 新一代移动通信中的关键技术一m i m o 正受到国内外学者的广泛关注。 1 9 0 8 年，m a r c o n i 就提出了利用多天线技术来抗衰落。在2 0 世纪7 0 年代有人提出 将多入多出( m i m o ) 技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统m i m o 技术产生 巨大推动的奠基工作则是2 0 世纪9 0 年代由a t t ( a m e r i c a nt e l e p h o n e & t e l e g r a p h c o m p a n y ，美国电话电报公司) b e l l 实验室学者完成的 4 - 。目前，美国电气电子 工程师学会( i e e e ) 数据库收录m i m o 研究的论文已达数千篇。研究内容主要包 括空时编码算法、信道建模、多天线设计与布局、互耦分析、信道相关性评估等。 在新一代移动通信天线领域的主要研究包括： 圣迭哥加州大学电子与计算机工程系ts v a n t e s s o n 博士从事m i m o 系统与无 线传播的研究，提出了将多模天线用于m i m o 系统【7 【8 1 。 瑞典乌普萨拉大学( u p p s a l a ) 信号与系统实验室研究员m w e n n s t r o m 给出了一 种可用于m i m o 系统的开关寄生天线方案 9 。 日本横滨国立大学的h a r a i 等长期从事分集天线的研究，提出了一种能量密 度分集天线。 1 2 】。 国内的清华大学、电子科技大学、东南大学等高校也对新一代移动通信中的 天线进行了大量的研究工作。 1 6 本文的主要工作和论文结构安排 m i m o 多入多出系统的实现离不开基站和移动端多天线的研究，并且由于移 动端天线受到体积、重量、成本等诸多限制，大部分提高系统通信质量的技术和 措施都是靠基站端天线来实现的。本文给出了一种适用于移动通信基站端的角度 分集开关八木天线，并给出了天线的测试数据和系统实验的结果。该开关八木天 线以八木天线为基本形式，在径向取得了一定的增益；同时又充分利用z 向的空 第一章序论 间组成阵列，进一步获取阵列增益；又在水平面内通过合理的天线布局，以及利 用开关八木天线方向图可重构的特性实现了角度分集。接着，本文考察了用遗传 算法综合能有效减小移动通信中干扰和远近效应的余割平方方向图，并将遗传算 法与f e k o 全波电磁仿真软件结合起来综合阵列的余割平方方向图。 本文的结构安排为：第一章简要回顾了移动通信的发展历史，并介绍了移动 通信的电波传播环境和信道特征，新一代移动通信中的关键技术m l m o 技术， 以及有关m i m o 技术的国内外研究现状。而大部分关于分集天线的研究都只是基 于天线本身，而没有结合基站天线的具体特点。因此，本文在第二章着重分析了 新一代移动通信对于基站天线的要求，这些要求包括：减小多径效应的天线分集、 抑制同频干扰的波束下倾以及优化覆盖的波束赋形。并根据这些要求提出了新一 代移动通信中基站天线的设计思想。第三章给出了一种适用于新一代移动通信系 统基站端的开关八木天线阵列的设计思路以及测试结果，并将实际制作的开关八 木天线阵列作为角度分集单元用于m i m o 实验系统平台上进行了一系列的实验， 得到了一些有益的结论。第四章主要围绕用遗传算法综合阵列方向图而展开。余 割平方方向图的特点是能对不同斜距、同一高度上的目标提供均匀的照射，因此 用于移动通信基站天线能有效消除远近效应。然而一方面传统的天线综合方法如 乌特沃特一劳森抽样法综合出的余割平方方向图并不是十分理想，另一方面传统 方法综合的只是阵因子而非整个阵列的方向图，因此将遗传算法引入天线阵列综 合中，并将全波电磁仿真软件f e k o 与遗传算法相结合来综合整个阵列的方向图。 最后一部分为本文的结束语。 电子科技大学硕士学位论文 第二章m i m o 系统中基站多天线的设计思想 m i m o 技术的实现离不开基站和移动端多天线的设计。相对于前几代移动通 信系统，新一代的移动通信系统对基站和移动端的天线设计提出了更多更高的要 求。而由于移动端天线在尺寸、重量、成本等方面的诸多局限，大部分的技术手 段和措施都是基于基站天线来考虑的。这就使得在设计m i m o 系统中基站多天线 时，必须综合考虑多方面的因素。 2 1 多径衰落与天线分集 典型的移动通信传播环境中，基站天线的高度高于附近的散射体( 如建筑物、 树林等) ，但移动台的低于周围的散射体，因此在基站和移动台之间通常是一条 非视距( n l o s ) 无线传播链路。尤其是在移动台周围，平面波从各个不同的角度 方向并以不同的时问延迟到达，这种特性称为多径传播。不同传播路径长度发生 小的移动也会在接收点位置产生较大的相位变化，从而产生信号幅度的损失。 在衰落存在时，欲保持通信质量，可以加大发射功率。但是，加大发射功率 不但有许多困难和限制，实际上也不是解决问题的根本办法。而采用天线分集技 术则可以较好地克服信号衰落，改善通信质量。 天线发射分集是在发射端采用分集技术。由于在发射端不知道衰落信道的信 道状态信息( c s d ，因此必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，即采 用空时编码。基于分集发射的空时码可分为空时格码和空时块码。空时格码的性 能较好，但是由于其译码复杂度与传输速率成指数关系，因此实现难度大。 天线接收分集是在接收端采用分集技术，接收多个携带同一信息而衰落特性 相互独立的信号，并进行特定处理，对接收到的信号进行组合或分类，以选择最 好的信号。如果多个接收信号不相关，通常总是可以获得较好的接收信号，从而 克服由于多径传输引起的接收信号强度的快速变化( 即衰落) 。由于移动台的发 射功率有限，而基站天线的发射功率较大，导致移动通信系统上、下行链路的信 号电平失衡。基站天线采用上行接收分集，可以获得额外的分集增益，从而平衡 了系统的上、下行链路信号。 分集的实现方法可以分为：时域( 接收到达时间不同的发射信号) ，频域( 接 第二章m i m o 系统中基站多天线的设计思想 收用不同的载波调制的同一信号) ，空域( 用多个天线) ，极化域( 接收极化方 向不同的同一信号) 等。 2 1 1 空间分集及空问分集天线 空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 是目前使用最多的分集方式。通过使用多个间隔 一定距离的天线就可以实现空间分集，而对于天线形式没有太多要求。天线空间 间距的确定原则是确保各天线分支经历不相关或者近似不相关衰落。 基站端所需的天线空间间距在水平面和垂直面是不同的。天线水平间距不仅 依赖于基站移动台连线与天线间连线所成的夹角，也与天线距离地面高度有关， 另外基站天线附近紧邻的本地散射体分布对其也有一定的影响。对于信号角度扩 展比较小的基站，为实现水平空间分集，基站天线间的水平间距约2 0 2 ：垂直空间 分集则要求间距约为1 5 l 【l ”。在保持基站天线间距不变的条件下，增加基站天线 高度可以减小各天线接收信号问的相关性。 图2 - 1 中给出了用于陆地移动通信系统( n t t sh i g h c a p a c i t yl a n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的空间分集天线 1 4 【15 1 。其中安装在车顶的是水平空间分集 天线，安装在车尾的是垂直空间分集天线。 图2 - 1 空间分集天线 【钿b h 蛳d i 空间分集的优点是实现方式简单、灵活，对天线形式本身没有太大要求；但 其缺点是占用的空间比较大。 电子科技大学硕：七学位论文 2 i 2 角度分集及角度分集天线 角度分集( a n g l ed i v e r s i t y ) 又称为方向图分集( p a t t e r nd i v e r s i t y ) ，它是利用 不同的天线方向图分离来自不同方向的信号。 开关寄生天线( s w i t c h e dp a r a s i t i ca n t e n n a ) 9 1 6 1 角度分集天线的一种，它有很 多种形式，图2 - 2 图2 4 给出了一些典型的例子。开关寄生天线都是通过安装在 天线上的微波开关对天线结构进行控制，使天线具有指向不同但形状几乎相同的 方向图，达到角度分集的目的。通常，开关寄生天线具有一个有源单元和多个具 有对称结构的无源寄生单元；寄生单元通过微波开关的控制来改变天线的电结构， 实现不同的天线方向图。图2 2 ，图2 3 中所示的天线结构紧凑、制作简单、安装 方便；但是由于有个金属地板，因此体积较大、略显笨重，并且除了中间一个 有源单元之外，其余的每个寄生单元与地板之间都安装有微波开关，微波开关个 数很多，极大地增加了天线的成本与控制难度。 图2 - 2 开关寄生天线( 一) 及其方向图 1 0 第二章m i m o 系统中基站多天线的设计思想 淞 图2 3 开关寄生天线( 二) 及其方向图 m e t a ls h i e l d ( o p t i o n a l ) d i e l e c t r i cs t r i ps u p p o r t i n g d i v e r s i t y l n l e l m 8 r e c e i v i n ge l e m e n t p a a s i l i ce k m 翰i s h a n d h e l d 键h n i n a l ( c e l l ：p h o n e ) 图2 - 4 开关寄生天线( 三) 多模式天线( m u l t i m o d ea n t e n n a ) 是角度分集天线的另一种常见形式 7 1 【8 1 ， 1 8 】一 1 9 】。图2 - 5 图2 7 给出了几种多模式天线的例子。多模式天线通过控制 馈电的方式或者相位可以在同一个天线中激励起不同的模式，形成不同形状和指 向的方向图，达到角度分集的目的。图2 5 中的天线是改用扩大的同轴馈电的双 锥天线，在天线上激励起了高阶的咂模，这些皿模式产生的远场方向图就不再 是全向而是与角度有关的了。该多模式天线在1 9 9 8 年提出的时候是利用不同方向 的方向图进行空分多址的应用，后在2 0 0 0 年又有学者研究了其不同模式间的相关 性，发现其不同模式间的相关性很小，因此可以用于角度分集。但此时双锥天线 的宽带特性就消失了，主要原因是由于不同模式其传播速度亦不相同。图2 - 6 和 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 中给出的多模式天线通过控制馈电相位差能够激励起3 个不同的模式，并 且天线具有低剖面的结构，占用的空间小，安装方便，便于共形。 逊 麴 奎罴 图2 - 5 多模式天线( 一) 及其不同模式下的方向图 至飞 ：笔；w ，媳，j。i 瞄 鞑一髫j 耋桶狲 飞磷广 1 弋。一夕、。夕“ 、5 女。“ 图2 - 6 多模式天线( 二) 及其不同模式下的方向图 第二章m i m o 系统中基站多天线的设计思想 图2 7 多模式天线( - - ) 及其不同模式f 的方向图 2 1 3 极化分集及极化分集天线 极化分集( p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t y ) 是利用相互正交的两个极化分量对信号进行 接收，其优点是在较小的空间内也能获得相关性很小的信号，因此除了在移动通 信的基站端采用外还常用于移动通信的移动端。 图2 - 8 2 0 1 和图2 9 2 1 1 中给出了两种用于移动通信基站的极化分集天线。图2 - 8 中是适用于c d m a 基站，具有4 5 。覆盖范围的天线，其垂直极化单元与水平极化 单元交替放置组成阵列，单元间间隔为04 5 。图2 - 9 中的基站天线采用了+ 4 5 。的 极化分集，并在垂直方向组成八元阵列。图2 一1 0 【2 2 】1 2 3 】中给出了一种适用于移动通 信终端的极化分集天线，当两个馈电点同向馈电时，天线为水平极化；当两个馈 电点反相馈电时，天线为垂直极化。 电子科技大学硕士学位论文 p o r t lp o r t 2 x 睡 t 靠啦* 酶 图2 - 8 极化分集天线( 一) y 图2 - 9 极化分集天线( 二) ( 左：示意图，右：实物照片) 1 4 第二章m 1 m o 系统中基站多天线的设计思想 图2 1 0 极化分集天线( 三) 2 1 4 能量密度分集及能量密度分集天线 能量密度分集( e n e r g yd e n s i t yd i v e r s i t y ) 也称为场分集，它是利用电场和磁场 的六个分量来提供独立信道，可以说是极化分集的扩展。当角度扩展为零时，只 存在两个独立的信道；而当角度扩展为全空间时，是最理想的情况，六个独立的 信道全部存在。 图2 1 l 和图2 1 2 中给出了几种平面能量密度分集天线( f l a te n e r g yd e n s i t y a n t e n n a ) 1 0 - 【1 2 m “。通过盘加载的单极天线( d i s kl o a d e dm o n o p o l ea n t e m a ) 接收 电场分量，通过开槽天线阵列( n o t c ha n t e n n aa r r a y s ) 来接收磁场分量，由于加载 盘上的电流是沿径向流动的，因此在径向开槽不会破坏电流的分布。 图2 1 1 能量密度分集天线( 一) 电子科技大学硕士学位论文 2 2 p 鼍 晤 分集天线( 二) 蜂窝移动通信系统具有巨大的通信容量，原因就在于它将整个通信区域划分 为若干个宏蜂窝和微蜂窝小区，每个小区内都布置有相应的基站天线和基站系统， 并具有自己的通信频率( 信道) ，如图2 1 3 所示。图中，a 表示工作频率相同的 小区，即同频小区。同频小区距离越远，干扰越小，但所需频率资源增加；同频 小区距离越近，频率资源需求减少，但干扰增加。因此，在设计小区时需要折衷 考虑频率资源和干扰情况。 图2 1 3 蜂窝频率复用 1 6 第二章m i m o 系统中基站多天线的设计思想 合理设计天线性能以及选择正确的安装方式可以抑制同频干扰。若蜂窝移动 通信系统采用全向天线方案，如图2 1 4 所示。在第i 个小区周围包含6 个同频干 扰小区。同频干扰电平的比例仅取决于小区的半径r 和距离最近的同频小区的中 心之间的距离d 。增加d 他的值，相对于小区的覆盖距离，同频小区间的空间隔 离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰降低。反之亦然。若将 全向天线改为定向天线，如图2 1 5 所示。图中，每个小区采用3 个定向天线，分 别覆盖3 个1 2 0 。的扇区。对于第i 个小区中朝北的扇区来说，虽然周围也存在6 个 同频小区，但是，只有北面上方的2 个同频小区对它存在同频干扰，因为这2 个 同频小区处于它的定向天线主波束方向之内